تاریخچه کامپیوتر

دستگاهی که بلز پاسکال در سال ۱۶۴۲ ساخت اولین تلاش در راه ساخت دستگاه های محاسب خودکار بود. پاسکال آن دستگاه را که پس از چرتکه دومین ابزار محاسبه گر ساخت بشر بود، برای یاری رساندن به پدرش ساخت. پدر وی حسابدار دولتی بود و با کمک این دستگاه می توانست همه اعداد شش رقمی را با هم جمع و تفریق کند.

لایبنیتز ریاضی دان آلمانی نیز از نخستین کسانی بود که در راه ساختن یک دستگاه خودکار محاسبه گر کوشش کرد. او در سال ۱۶۷۱ دستگاهی برای محاسبه ساخت که کامل شدن آن تا ۱۹۶۴ به درازا کشید. همزمان در انگلستان ساموئل مورلند در سال ۱۶۷۳ دستگاهی ساخت که جمع و تفریق و ضرب می کرد.
در قرن هجدهم میلادی هم تلاش های فراوانی برای ساخت دستگاه های محاسبه گر انجام شد که اکثرا به سرانجامی نرسید. سرانجام در سال ۱۸۷۵ میلادی استیفن بالدوین نخستین دستگاه محاسبه‌گر را که هر چهار عمل اصلی را انجام می داد، به نام خود ثبت کرد.

از جمله تلاش های نافرجامی که در این سده صورت گرفت، مربوط به چارلز بابیچ ریاضی دان انگلیسی است. وی در آغاز این سده در سال ۱۸۱۰ در اندیشه ساخت دستگاهی بود که بتواند بر روی اعداد بیست و شش رقمی محاسبه انجام دهد. او بیست سال از عمرش را در راه ساخت آن صرف کرد اما در پایان آن را نیمه کاره رها کرد تا ساخت دستگاهی دیگر که خود آن را دستگاه تحلیلی می نامید آغاز کند. او می خواست دستگاهی برنامه پذیر بسازد که همه عملیاتی را که می خواستند دستگاه برروی عددها انجام دهد، قبلا برنامه شان به دستگاه داده شده باشد. قرار بود عددها و درخواست عملیات برروی آن ها به یاری کارت های سوراخ دار وارد شوند. بابیچ در سال ۱۸۷۱ مرد و ساخت این دستگاه هم به پایان نرسید.

دولت آمریکا در سال ۱۹۴۳، طرحی محرمانه را برای رمزگشایی از مکالمات ارتش آلمان پایه گذاری کرد. این پروژه به طور مشترک توسط دانشگاه هاروارد و شرکت IBM انجام گرفت و به ساخت دستگاهی عظیم الجثه به نام ASCC منتهی گردید. ASCC، که در سال ۱۹۴۴ ساخته شد، پنج تن وزن داشت و با ابعاد ۱۵ متر درازا و ۲.۵ متر ارتفاع، می توانست ۷۲ عدد ۲۴ رقمی را در خود ذخیره کند. دستگاه با نوارهای سوراخدار برنامه ریزی می شد و همه بخش های آن مکانیکی یا الکترومکانیکی بود.

صنعت کامپیوتر سال ۱۹۴۶ شاهد رونمایی اولین کامپیوتر مدرن جهان به نام ENIAC بود. این کامپیوتر بر مبنای ماشین تورینگ و برای انجام محاسبات پروژه‌های موشکی ارتش ایالات متحده طراحی شده‌بود.
این کامپیوتر قابل برنامه ریزی قادر به انجام محاسبات نسبتاً پیچیده ریاضی بود. دو محقق به نام‌های جان ماکلی و جی پرسپر اکرت از دانشگاه پنسیلوانیا رهبران تیم تحقیقاتی ساخت ENIAC بودند. ENIAC شامل اکثر اجزای اصلی کامپیوترهای مدرن از جمله ثبات، شمارنده، حافظه و اکیومولاتور بود.اصلی‌ترین قطعه الکترونیکی ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer ‪- ENIAC)لامپ‌های خلاء بود که اکثر گیت‌ها و فلیپ‌فلاپ‌های مدار آن را تشکیل می‌داد
بخش‌هایی از این کامپیوتر اکنون در دانشکده مهندسی و علوم کاربردی دانشگاه پنسیلوانیا، موزه ملی تاریخ آمریکا در واشنگتن، موزه علوم لندن، موزه علوم کامپیوتر شهر مانتن ویو در ایالت کالیفرنیا، دانشگاه میشیگان در شهر آن آربر و موزه ارتش آمریکا در مریلند در معرض بازدید مردم قرار دارد.
گرچه ENIAC برای زمان خود یک پیشرفت علمی بزرگ بود اما معایب بزرگی از جمله بزرگ بودن و اشغال فضای بسیار زیاد، سرعت پایین و محدود بودن محاسبات داشت.
یکی دیگر از معایب این کامپیوتر و کامپیوترهای هم نسل آن لامپ‌های خلا بود. این لامپ‌ها علاوه بر گران بودن و پرمصرف بودن زمان زیادی برای گرم و آماده شدن به کار لازم داشتند. نسل بعدی کامپیوترها، برپایه معماری برنامه‌های حافظه دار یا معماری نومن ساخته شد. این معماری برای اولین بار در ۱۹۴۵ توسط جان وون نومن مطرح شد.
اولین کامپیوترها برپایه معماری نومن SSEM و EDSAC در دانشگاه‌های منچستر و کمبریج در دهه ۴۰ میلادی ساخته شدند.

                                           تصویر eniac

لامپ خلا : به زبان ساده لامپ خلاء، وسیله ای است که جریان الکتریکی را کنترل (تقویت یا کاهش) می کند.معایب لامپ های خلاء،اندازه بزرگ آن ها و عد م اطمینان و گرمای زیادی است که هیتر یا فیلمن داخل آن ایجاد میکند.

                                             تصویر لامپ خلا

 

مشخصات کلی کامپیوتر های نسل اول: 

1.سرعت عمل آنها حدود یک هزارم ثانیه بود.

2.حافظه آنها دارای ظرفیت 2000 تا 4000 کلمه بود.

3.دارای کاربردهای ویژه تک منظوره (Special Purpose) بودند.

4.کلیه برنامه ها به زبان ماشین ، نوشته می شد.

5.در آنها لامپ خلا و رله به عنوان حافظه استفاده می شد.

در سال ۱۹۴۸، باردین، ترانزیستور را اختراع کرد ولی ده سال طول کشید که از سطح آزمایشگاهی به سطح استفاده صنعتی برسد. ترانزیستور، در پیشرفت صنایع الکترونیک نقش مهمی را برعهده داشت.  
کامپیوترهای ترانزیستوری چندین برابر کوچکتر، سریع‌تر، ارزان‌تر، کم‌مصرف‌تر و قابل اعتمادتر از لامپ‌های خلاء بودند. اولین کامپیوتر ترانزیستوری در ۱۹۵۳ در دانشگاه منچستر ساخته شد.
ترانزیستور از لامپ خلاء به مراتب کوچکتر است. به انرژی کمی نیاز دارد، حرارت کمتری تولید می‌کند و ارزان‌تر نیز هست. به این دلایل ترانزیستور به زودی جای خود را در ساختمان کامپیوتر گشود و جایگزین لامپهای خلاء در حافظه شد. به این ترتیب، نسل دوم کامپیوتر به دنیا آمد. کامپیوترهایی با تعداد خانه‌های حافظه بیشتر و امکانات و کارآیی وسیع‌تر. ترانزیستور، کامپیوترهای نسل دوم را کوچک‌تر و ارزان‌تر کرد.
زبانهای برنامه نویسی، از دیگر تحولات مهمی بود که در نسل دوم کامپیوترها پدید آمد. در کامپیوترهای قدیمی تر، از زبانهای سطح پایین، که در آنها آشنایی با جزئیات ماشین ضرورت داشت، استفاده می‌شد. یعنی، مجموعه‌ای از اعداد و ارقام که کدهایی قابل فهم برای کامپیوتر بود. در نسل دوم، زبانها برای کاربردهای عمومی‌تر آماده شد. این امر رواج استفاده از کامپیوتر در امور تجاری و اداری را سرعت بخشید. این کامپیوترها ، حصار دانشگاه‌ها و مؤسسات تحقیقاتی را شکستند و به گونه‌ای گسترده در مؤسسات دولتیو شرکتهای صنعتی و بازرگانی به کار گرفته شدند.

مزایای ترانزیستورها بر لامپ‌های خلاء

1.اندازه کوچک تر (با وجود ادامه کوچک سازی لامپ‌های خلاء)

2.تولید کاملاً اتوماتیک

3.هزینه کمتر (در حجم تولید)

4.امکان ولتاژ کاری پایین تر (اما لامپ‌های خلاء در ولتاژهای بالاتر می‌توانند کار کنند)

5.نداشتن دوره گرم شدن (بیشتر لامپ‌های خلاء به ۱۰ تا ۶۰ ثانیه زمان برای عملکرد صحیح نیاز دارند)

تلفات توان کمتر (نداشتن توان گرمایی، ولتاژ اشباع خیلی پایین)

6.قابلیت اطمینان بالاتر و سختی فیزیکی بیشتر(اگرچه لامپ‌های خلاء از نظر الکتریکی مقاوم ترند. همچنین لامپ خلاء در برابر پالس‌های الکترومغناطیسی هسته‌ای (NEMP) و تخلیه الکترواستاتیکی (ESD) مقاوم ترند(.

7.عمر خیلی بیشتر (قطب منفی لامپ خلاء سرانجام ازبین می‌رود و خلاء آن می‌تواند آلوده بشود)

8.قابلیت کنترل جریان بالا (ترانزیستورهای قدرت بریای کنترل صدها آمپر در دسترسند، لامپ‌های خلاء برای کنترل حتی یک آمپر بسیار بزرگ و هزینه برند)

                                         تصویر ترانزیستور

 

مشخصات کلی کامپیوتر های نسل دوم: 

1. از ترانزیستور در آنها استفاده شد.

2. سرعت عمل آنها حدود یک میلیونیم ثانیه بود.

3. ظرفیت حافظه آنها حدود 30000 کلمه بود و حافظه های کمکی نیز در این نسل به وجود آمدند.

4. دارای کاربردهای عمومی یا همه منظوره بودند.

5. زبانهای برنامه نویسی آنها ، فوق العاده آسان بود.

6. دارای حجم بسیار کمتری بودند.

7. از حلقه های کوچک مغناطیسی به عنوان حافظه در آنها ، استفاده می شد.

برای ساختن کامپیوترهای سریعتر و قویتر کوششها همچنان ادامه داشت تا در اوایل 1960 اولین کامپیوتر نسل سوم (Third Generation) به بازار عرضه شد. این کامپیوتر از سری IBM 360 بود که برای ساختن آن 5 میلیارد دلار سرمایه گذاری شد که بزرگترین پروژه مالی بخش خصوصی تا آن تاریخ به شمار می رفت.این کامپیوتر که مدل های گوناگونی از نظر ظرفیت و سرعت کار داشت، در هر دو امورتجاری و علمی قابل استفاده بود.جدیدترین تحول در تکامل کامپیوترها، ساختن وسایل ضبط اطلاعات با قابلیت دسترسی مستقیم(Direct Access Device) در این نسل بود.به این ترتیب کاربران توانستند به هر یک از اجزا اطلاعات ذخیره شده در  یک مجموعه عظیم اطلاعاتی ، در کسری از ثانیه دسترسی پیدا کنند.علاوه بر آن در این نسل از کامپیوتر ها، سعی شده که قطعات مدارها را هرچه کوچکتر و با حجم کمتر بسازند و بدین ترتیب مدارهای مجتمع (Integrated Circuits(IC)) به وجود آمدند. در ایران ، از زمان ارایه کامپیوترهای نسل سوم کاربرد کامپیوتر به سرعت توسعه یافت و مؤسسات مختلف تعدادی از آنها را نصب کردند. 

مشخصات کلی کامپیوتر های نسل سوم: 

1.پیشرفت های سخت افزاری

     الف)مینیاتوری کردن(تقلیل حجم دستگاهها و اجزای آنها)

       ب)افزایش ظرفیت حافظه به چندین برابر قبل

       ج)استفاده از دستگاه های واسطه(Media) ، با قابلیت دسترسی مستقیم

       د)قدرت ارتباط با نقاط دور و متعدد

2.پیشرفت های نرم افزاری

    الف)هماهنگی بیشتر با سخت افزار

      ب)هماهنگی بیشتر با سیستم عامل

      ج)پیشرفت در زبانهای برنامه نویسی و به کارگیری زبان های سطح بالا

3.عملیات و بهره برداری

    الف)استفاده از روش های پردازش مستقیم(on-line) و بازده فوری(real time)

      ب)اجرای همزمان چند برنامه با یکدیگر

تقسیم بندی و تفکیک نسل های کامپیو تری تا قبل ا ز نسل چهارم(Forth Generation)، به لحاظ  تغییرات عمده در پیشرفت و تکامل کامپیوتر در هر نسل، به سهولت صورت گرفت . دراوایل سال 1970 تکنیکهای جدیدتری در ساخت و بهره گیری از کامپیوترها به کار برده شدکه بسیاری از دست اندرکاران آن را  نسل چهارم نامیدند.مهمترین تغییرات در سخت افزار کامپیوترهای نسل چهارم،به کارگرفتن مدارهای مجتمع با تراکم زیاد وتراکم خیلی زیاد است.
در نسل سوم از تراکمSSI(Small Scale Integration)  و (Scale Integration Medium)MSI  یعنی تراکم کم و تراکم متوسط بهره گرفتند ولیکن درنسل چهارم از تراکم (Scale Integration Large)  LSI،( Scale Integration Very Large) VLSI و (Ultra Large Scale Integration)ULSI  یعنی تراکم بالا ،
خیلی بالا وفوق العاده بالا بهره می گیرند. نسل چهارم همچنین از حافظه نیمه هادی (Semiconductor) ومیکرو پروسسور (Microprocessor) ، سیستم های محاوره ای (Interactive System) ،پردازش مستقیم و شبکه های کامپیوتری (Computer Network) بهره جسته است.   

توسعه و پیشرفت سخت افزار کامپیوترهای فعلی، در مقایسه با نسلهای قبلی با بررسی چند عامل نظیر سرعت ، اندازه، هزینه و ظرفیت حافظه روشن می گردد. در کامپیوتر های اولیه از لامپ خلا استفاده می شد و به همین جهت حجم و وزن زیادی داشتند. کامپیوتر انیاک 30 تن وزن داشت.
 به کار بردن ترانزیستور در نسل دوم به طور قابل ملاحظه ای ، اندازه کامپیوتر ها را کاهش داد. در یک فوت مربع از کامپیوتر های نسل اول 6000 مؤلفه وجود داشت که با بکاربردن ترانزیستور100000 مدار درهمان حجم کار می کرد. در کامپیوتر های فعلی که در آنها میکروالکترونیک و مدارهای مجتمع با تراکم زیاد به کار می رود بیش از 10 میلیون مدار در یک فوت مربع کار می کند.